◎北京航天自動控制研究所 禹春梅 王輝 宋維軍 尚騰 梁祿楊

制導(dǎo)、姿控、仿真協(xié)同設(shè)計平臺的研制與實踐＊

◎北京航天自動控制研究所 禹春梅 王輝 宋維軍 尚騰 梁祿楊

為了適應(yīng)多任務(wù)并舉、協(xié)同設(shè)計、快速論證的要求，通過制導(dǎo)、姿控、仿真協(xié)同設(shè)計平臺的研制與實踐，將商業(yè)軟件、自研設(shè)計工具、仿真模型、控制算法規(guī)范化，設(shè)計流程工具化，系統(tǒng)方案模塊化，實現(xiàn)了隱性知識顯性化及制導(dǎo)、姿控、仿真設(shè)計的協(xié)同化，提升了設(shè)計效率，使制導(dǎo)、姿控、仿真從傳統(tǒng)的研制模式向設(shè)計流程自動化的并行協(xié)同研制模式轉(zhuǎn)變。

為了滿足型號高密度發(fā)射的要求、支持多型號快速論證、解決多專業(yè)耦合設(shè)計、推動方案的規(guī)范化與產(chǎn)品化，北京航天自動控制研究所開展了制導(dǎo)、姿控、仿真協(xié)同設(shè)計平臺的研制和應(yīng)用工作，全面打通了制導(dǎo)、姿控系統(tǒng)從上游（總體任務(wù)書）到設(shè)計結(jié)果入庫的自動化設(shè)計通道，并進(jìn)行流程再造，以實現(xiàn)從粗放的串行研發(fā)模式向精細(xì)的協(xié)同并行研發(fā)模式轉(zhuǎn)變。

一、協(xié)同設(shè)計平臺的構(gòu)建與應(yīng)用

1．平臺構(gòu)建

從2013年4月開始，研究所組織研制團(tuán)隊深入分析了國外先進(jìn)設(shè)計工具軟件的理念與精髓，結(jié)合火箭/導(dǎo)彈控制系統(tǒng)設(shè)計仿真的特點與需求，自主進(jìn)行了制導(dǎo)、姿控、仿真協(xié)同設(shè)計平臺的研制工作。同時，研制團(tuán)隊進(jìn)行了協(xié)同設(shè)計平臺的需求細(xì)化、方案確定、規(guī)范制定、平臺研制與測試、推廣應(yīng)用等一系列實踐工作。為了高效開展平臺研制，研究所建立了制導(dǎo)、姿控、仿真3個專業(yè)的研制小組，并建立了周例會的工作推進(jìn)制度。最終，研制團(tuán)隊經(jīng)過近百次的溝通協(xié)調(diào)，完成了制導(dǎo)、姿控、仿真協(xié)同設(shè)計平臺軟件的開發(fā)和現(xiàn)場測試工作，并于2015年1月舉行了所級發(fā)布會。

在平臺建設(shè)的同時，形成了1個制導(dǎo)與姿控數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)、2個仿真軟件編制規(guī)范、3個仿真軟件基礎(chǔ)庫、4個應(yīng)用規(guī)定、1套仿真模型手冊等頂層文件，以指導(dǎo)和規(guī)范平臺的使用。平臺的設(shè)計功能包括常用商業(yè)軟件、自研設(shè)計工具的集成與應(yīng)用、設(shè)計流程定制等，集成了Matlab、STK、Origin、Office、Isight等商業(yè)軟件以及導(dǎo)航、制導(dǎo)、姿控共計24個自研設(shè)計工具，形成了制導(dǎo)、姿控系統(tǒng)自動化設(shè)計流程，實現(xiàn)了制導(dǎo)、姿控系統(tǒng)方案的模塊化選擇。平臺的仿真功能包括仿真模型管理、仿真工程構(gòu)建、仿真代碼一鍵生成等，實現(xiàn)了仿真軟件的可視化構(gòu)建。

協(xié)同設(shè)計平臺采取網(wǎng)絡(luò)化布局，以“服務(wù)器端—客戶端”為模式運行。服務(wù)器端共享知識和數(shù)據(jù)，內(nèi)容包括制導(dǎo)、姿控、仿真系統(tǒng)的知識、方法、工具、模型、規(guī)范等；設(shè)計師應(yīng)用客戶端實現(xiàn)對共享內(nèi)容的檢索、下載、共享，并以此為基礎(chǔ)開展協(xié)同設(shè)計工作。平臺以“知識共享—標(biāo)準(zhǔn)化—再設(shè)計—再共享”的循環(huán)升級方式不斷自我完善，同時提供了強(qiáng)大、全面的知識庫，包括各種工具、模型的公式算法、設(shè)計報告、測試報告等。

2．平臺應(yīng)用

一是設(shè)計流程的規(guī)范化、自動化。

制導(dǎo)、姿控系統(tǒng)設(shè)計流程的自動化是通過設(shè)計模板將原有的設(shè)計流程進(jìn)行規(guī)范和向?qū)Щ鞔_設(shè)計節(jié)點的數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系，并將型號已有的設(shè)計經(jīng)驗和設(shè)計結(jié)果進(jìn)行有效集納與智能提示。

為實現(xiàn)制導(dǎo)、姿控系統(tǒng)設(shè)計流程的規(guī)范化、自動化，首先對制導(dǎo)、姿控系統(tǒng)設(shè)計過程需要遵從的作業(yè)指導(dǎo)書和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行充分的知識挖掘，梳理各個設(shè)計環(huán)節(jié)的輸入、約束、目標(biāo)、原理和方法等，通過軟件開發(fā)形成各個設(shè)計環(huán)節(jié)的軟件工具；其次，通過設(shè)計模板將原有的設(shè)計流程進(jìn)行規(guī)范和向?qū)Щ?，明確各個設(shè)計環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)接口形式，實現(xiàn)從任務(wù)書分析、方案設(shè)計、試驗驗證到提出軟件研制任務(wù)書全流程的自動化；最后，在設(shè)計模板中充分集納積累的型號設(shè)計結(jié)果和設(shè)計經(jīng)驗，以便于方案借鑒并避免出現(xiàn)低層次的設(shè)計質(zhì)量問題，從而實現(xiàn)快速設(shè)計。

二是仿真驗證的可視化、向?qū)Щ?/p>

協(xié)同設(shè)計平臺內(nèi)置仿真模型庫，可供檢索、下載、共享使用。設(shè)計師可以通過模型可視化拖拽的方式，將模型庫中的入庫模型添加到仿真工程中，并通過可視化的方式連接控制流和數(shù)據(jù)流，定義模型之間的傳遞關(guān)系，點擊“生成代碼”，即可生成完整的仿真工程。

三是并行協(xié)同的新研制模式。

專業(yè)協(xié)同包含數(shù)據(jù)和模型協(xié)同2個層面的功能。在并行協(xié)同研制模式下，設(shè)計師在收到設(shè)計輸入后，借用分析處理工具可以在數(shù)分鐘內(nèi)完成數(shù)據(jù)分析；在論證方案時可以在系統(tǒng)方案庫中便捷地選擇合適的方案，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計；制導(dǎo)、姿控、仿真3個專業(yè)之間可以快捷地傳遞和共享設(shè)計參數(shù)、仿真模型等，以實現(xiàn)方案的匹配、優(yōu)化；在試驗驗證階段也可以繼承設(shè)計階段的成果，提升驗證效率。制導(dǎo)、姿控、仿真協(xié)同設(shè)計平臺如圖1所示。

同專業(yè)或同項目的設(shè)計人員可以通過協(xié)同工作空間同步設(shè)計輸入、設(shè)計結(jié)果等，也可以通過共享模型庫同步仿真模型，通過共享模板庫同步設(shè)計模板。

二、實踐效果

協(xié)同設(shè)計平臺經(jīng)過6個月的全面應(yīng)用，其中自研設(shè)計工具在30多個型號中進(jìn)行了應(yīng)用。成熟的制導(dǎo)律、校正網(wǎng)絡(luò)計算等工作耗時由“數(shù)天”縮短至“分鐘”量級；仿真工程的圖形化、拖拽式構(gòu)建在10多個新型號中推廣應(yīng)用，仿真軟件編制由原來的2～3個月減少到1個月，提升效率2倍以上，有效縮短了研制周期；10多個型號應(yīng)用協(xié)同設(shè)計平臺進(jìn)行了飛行試驗結(jié)果分析，從接到試驗數(shù)據(jù)到生成結(jié)果分析報告僅需數(shù)分鐘；制導(dǎo)、姿控、仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、模板協(xié)同功能使獨立串行設(shè)計逐步向并行協(xié)同設(shè)計轉(zhuǎn)變。

通過協(xié)同設(shè)計平臺的研制與應(yīng)用，北京航天自動控制研究所全面打通了制導(dǎo)、姿控系統(tǒng)的自動化設(shè)計通道，修訂了專業(yè)研制流程和作業(yè)指導(dǎo)書，同時實現(xiàn)了從粗放的串行研發(fā)模式向精細(xì)的協(xié)同并行研發(fā)模式轉(zhuǎn)變。?

圖1 制導(dǎo)、姿控、仿真協(xié)同設(shè)計平臺

國家自然科學(xué)基金（61403355）